0017-車床-C616數控車床改造

0017-車床-C616數控車床改造,車床,c616,數控車床,改造 1 緒論 1.1 數控設備與技術現(xiàn)狀[1] 1.1.1 數控設備 近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數控機床有數控車床、數控磨床、數控特種加工機床、數控剪板機、數控成形折彎機、數控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等，出口的數控機床品種以中低檔為主。 1.1.2 數控技術 裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度，數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè)、生物技術及其產業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經說過“各種經濟時代的區(qū)別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，有什么勞動資料生產” 。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用的數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數控技術及其產業(yè)，而且在“高精尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：（1）機械制造技術；（2）信息處理、加工、傳輸技術；（3）自動控制技術；（4）伺服驅動技術；（5）傳感器技術；（6）軟件技術等。 1.1.3 對我國數控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 一 、戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國，在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產業(yè)結構調整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源。環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數控技術和產業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質，多我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。 二 、發(fā)展戰(zhàn)略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調市場需求為導向，即以數控終端產品為主，以整機（如量大面廣的數控技術、銑床、高速高精高性能數控機床、典型數字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等）帶動數控產業(yè)的發(fā)展。重點解決數控系統(tǒng)和相關功能部件（數字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品；當然，沒有規(guī)模中國的數控裝備最終難以有出頭之日。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調產、學、研以及最終用戶的緊密結合，以“做得出、用得上、買得掉”為目標，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需。 在競爭前數控技術方面，強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產權的技術和產品，為我國數控產業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。 1.2 數控機床發(fā)展概況[2] 1949年，美國帕森公司與美國空軍合作，研制了一種計算裝置，用于滿足日益復雜的飛機葉片的自動加工，于是，帕森公司首先提出了機床數字控制的概念。在半個世紀里，數控技術經歷了電子管數控系統(tǒng)、晶體管數控系統(tǒng)、集成電路數控系統(tǒng)到微型計算機數控系統(tǒng)（CNC）四個階段。 現(xiàn)代數控技術是20世紀70年代發(fā)展起來的機床控制新技術，它綜合了微電子技術、計算機技術、現(xiàn)代控制技術、傳感器檢測技術、信息處理技術和機械制造技術，是先進制造技術的核心。而采用數控技術的典型產品——數控機床是機電工業(yè)的重要基礎裝備，是汽車、石化、電子等支柱產業(yè)現(xiàn)代化的重要手段。 從20世紀80年代開始，我國的數控機床在引進、消化國外技術的基礎上，進行了大量的開發(fā)工作，到1995年底，我國數控機床的可供品種已超過300種，其中數控車床占40%以上。 1.2.1 數控機床的一般原理 一 、數字控制的基本概念 數字控制（Numerical Control——NC），簡稱為數控，是一種自動控制技術，是用數字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數字控制是相對于模擬控制而言的，數字控制系統(tǒng)中的控制信息是數字量，而模擬控制系統(tǒng)中的控制量是模擬量。數字控制與模擬控制相比有許多優(yōu)點，如可用不同的字長表示不同精度的信息，可對數字化信息進行邏輯運算、數學運算等復雜的信息處理工作，特別是可用軟件來改變信息處理的方式或過程，而不用改動電路或機械機構，從而使機械設備具有很大的“柔性”。因此數字控制已被廣泛用于機械運動的軌跡控制和機械系統(tǒng)的開關量控制，如機床的控制、機器人的控制等。 數字控制的對象是多種多樣的，但數控機床是最早應用數控技術的控制對象，也是最典型的數控化設備。數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床。國際信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information Processing——IFIP）第五技術委員會對數控機床作了如下定義：數控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其它符號編碼指令規(guī)定的程序。 定義中所提的程序控制系統(tǒng)，就是數控系統(tǒng)（Numerical Control System）。數控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動輸入載體上事先給定數字量，并將其譯碼，在進行必要的信息處理和運算后，控制機床動作和加工零件。最初的數控系統(tǒng)是由數字邏輯電路構成的專用硬件數控系統(tǒng)。隨著微型計算機的發(fā)展，硬件數控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計算機數控系統(tǒng)（Computer Numerical Control）簡稱CNC。CNC系統(tǒng)是由計算機承擔數控中的命令發(fā)生器和控制器的數控系統(tǒng)。由于計算機可完全由軟件來確定數字信息的處理過程，從而具有真正的“柔性”，并可以處理硬件邏輯電路難以處理的復雜信息，使數字控制系統(tǒng)的性能大大提高。 二、 數控機床的組成 數控機床是典型的數控化設備，它一般由信息載體、計算機數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成，如圖1-1所示 圖1-1 數控機床的組成 1. 信息載體 信息載體又稱控制介質，用于記錄數控機床加工一個零件所必需的各種信息，如零件加工位置數據、工藝參數等，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等，并通過相應的輸入裝置將信息輸入到數控系統(tǒng)中。數控機床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序輸入到數控系統(tǒng)。高級的數控系統(tǒng)可能還包括一套自動編程機或者CAD/CAM系統(tǒng)。由這些設備實現(xiàn)編制程序、輸入程序、輸入數據以及顯示、模擬顯示、存儲和打印等功能。 2. 計算機數控系統(tǒng) 計算機數控系統(tǒng)是數控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經計算和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設備主要包括光電閱讀機、CRT、鍵盤、棉板、機床接口等。光電閱讀機是輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；CRT供顯示和監(jiān)控用；鍵盤用于輸入操作命令及編輯、修改程序段，也可輸入零件加工程序；操作面板可供操作人員改變操作方式、輸入整定數據、啟停加工等；機床接口是計算機和機床之間聯(lián)系的橋梁，機床接口包括伺服驅動接口及機床輸入/輸出接口。伺服驅動接口主要是進行數/模轉化，以及對反饋元件的輸出進行數字化處理并記錄，以供計算機采樣；機床輸入/輸出接口是用于處理輔助功能。軟件由管理軟件和控制軟件組成。管理軟件主要包括輸入輸出、顯示、診斷等程序；控制軟件包括譯碼、刀具補償、速度控制、插補運算、位置控制等部分組成。數控裝置控制機床的動作可概括為： （1）機床主運動，包括主軸的啟動、停止、轉向和速度選擇等 ； （2）機床的進給運動，如點位、直線、圓弧、循環(huán)進給的選擇，坐標方向進給速度的選擇等； （3）刀具的選擇和刀具的補償（長度、半徑）； （4）其它輔助運動，如各種輔助操作，工作臺的鎖緊和松開，工作臺的旋轉與分度和冷卻泵的開、停等。 3. 伺服系統(tǒng) 它是數控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅動機構和機床移動部件，它接受數控裝置發(fā)來的各種動作命令，驅動受控設備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。 4. 機床 它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎上發(fā)展來的，但也做了很多改進和提高，它的主要特點是： （1）由于大多數數控機床采用了高性能的主軸和伺服傳動系統(tǒng)，因此數控機床的機械傳動結構得到了簡化，傳動鏈較短； （2）為了適應數控機床連續(xù)地自動化加工，數控機床結構具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??； （3）更多的采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌等； （4）不少數控技術還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床各種效率。 三、 計算機控制系統(tǒng)的工作原理 1.輸入 輸入給數控系統(tǒng)的有零件加工程序、控制參數和補償數據等。 2.譯碼 輸入的程序段含有零件的輪廓信息（起點、終點、直線還是圓弧等）、要求的加工速度以及其它的輔助信息（換刀、換檔、冷卻液開關等）。計算機依靠譯碼程序來識別這些符號，將加工程序翻譯成計算機內部能識別的語言。 3.數據處理 數據處理程序一般包括刀具半徑補償、速度計算是解決該加工數據段以什么樣的速度運動的問題。加工速度的確定也是一個工藝問題。數控系統(tǒng)僅僅是保證這個編程速度的可靠實現(xiàn)。另外，輔助功能如換刀、換檔等亦在這個程序中實現(xiàn)。 4.插補 即根據給定的曲線類型（如直線、圓弧或高次曲線）、起點、終點以及速度，在起點和終點之間進行數據點的密化。計算機數控系統(tǒng)的插補功能主要由軟件來實現(xiàn)，目前主要有兩類插補方法：一是脈沖增量插補，它的特點是每次插補運算結束產生一個進給脈沖；二是數字增量插補，它的特點是插補運算在每個插補周期進行一次，根據指令進行速度計算出一個微小的直線數據段。 5.伺服控制 將計算機送出的位置進給脈沖或進給速度指令，經變換和放大后轉化為伺服電機（步進電機或交、直流伺服電機）的轉動，從而帶動機床工作臺移動。 6.管理程序 當一個數據段開始插補時，功能程序即著手準備下一個數據段的讀入、譯碼、數據處理。即由它調用各個功能子程序，且保證一個數據段加工過程中將下一個程序段準備就緒。一旦本數據段加工完成，即開始下一個數據段的插補加工。整個零件加工就是在這種周而復始的工程中完成。 1.2.2 機床數控系統(tǒng)的分類 機床數控系統(tǒng)的種類很多，為了便于了解和研究，可以從不同的角度對其分類。可以按伺服系統(tǒng)的控制方式，機床的運動軌跡，數控系統(tǒng)功能水平分類。一般地，按伺服系統(tǒng)的控制方式進行分類。 伺服系統(tǒng)包括驅動機構和機床移動部件，它是數控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，按其控制原理可分為以下三類。 1.開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop Control System） 典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-2所示，是采用步進電機的伺服系統(tǒng)。對于數控裝置發(fā)來的每一個進給脈沖經驅動線路放大并驅動步進電機轉動一個步距（即一個固定的角度，如1.5o），再經減速齒輪帶動絲杠旋轉，并通過絲杠螺母副傳東工作臺的移動。可以看出工作臺的移動量與進給脈沖的數量成正比。顯然這種開環(huán)系統(tǒng)的精度完全依賴于步進電機的步距精度及齒輪、絲杠的傳動精度。它沒有測量反饋矯正措施，所以對高精度的數控機床往往不能滿足要求，但開環(huán)系統(tǒng)的結構簡單、調試容易、造價低，在數控機床的發(fā)展過程中占有一定的重要地位，現(xiàn)在仍普遍采用。 圖1-2 開環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖 2. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)（Semi-closed Loop Control System） 如圖1-3所示，采用裝在絲杠上的角位測量絲杠或電機軸的轉動量間接地測量工作臺的移動量。它的優(yōu)點就是不論工作臺位移的長短，角位移測量元件制成可循環(huán)使用。 圖1-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖 半閉環(huán)的意思就是用絲杠（或電機軸）的轉動量與數控裝置的命令相比較（閉環(huán)），而另一部分絲杠螺母工作臺的位移量不受閉環(huán)控制（開環(huán)），故稱為半閉環(huán)。顯然，從理論上講，半閉環(huán)的精度低于閉環(huán)，但半閉環(huán)調試方便，穩(wěn)定性好，角位移的測量元件簡單、價廉，所以配備傳動精度較高的齒輪、絲杠的半閉環(huán)系統(tǒng)得到廣泛應用。 3.閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed Control System） 如圖1-4所示，采用直線位移測量元件，測量機床移動部件工作臺（主軸箱）的位置并將測量結果送回與數控裝置命令的移動量相比較，二者不相等而有差值時，將此差值放大外控制伺服電機帶工作太繼續(xù)移動；直至測量值與命令值相等差值為零或接近于零時停止移動。從理論上講，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度取決于測量工作臺的精度，但實際上機床的結構、傳動裝置以及傳動間隙等非線形因素都會影響精度，嚴重的還會使閉環(huán)伺服系統(tǒng)的品質下降甚至引起振蕩。 圖1-4 閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖 1.2.3 國內數控機床的特點[1] 1.新產品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產品占據主導地位 例如：全長33公里的上海磁懸浮快速列車線，是“十五”期間國家重點建設項目，其中組成列車線的2550根軌道梁是整個工程的最關鍵部分，對加工軌道梁的精度提出了相當高的要求。前年年初，沈陽機床集團機床股份有限公司中捷友誼廠以工期6個月、標的6200萬元在磁懸浮軌道專用數控機床項目公開招標中折掛，并于8月低將一次性驗收合格的8臺數控鏜銑床組成的軌道梁生產線一次試車成功，目前這套銑鏜加工中心已加工出軌道梁1100根，確保了軌道梁的加工精度和速度，為實現(xiàn)今年年底試車打下了良好了基礎。 2. 數控機床產量大幅度增長，數控化率顯著提高 2001年國內數控金切機床產量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床產值數控化率從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3. 數控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破 今年來通過政府的支持，數控機床配套生產得到了快速發(fā)展，如北京航天機床數控系統(tǒng)集團公司建立了具有自主知識產權的新一代開放式數控系統(tǒng)平臺；煙臺第二機床附件廠開發(fā)了為數控龍門鏜銑床、數控落地鏜銑床及數控鍛壓設備等30多個系列100多個品種的數控配套產品。 1.2.4 國外數控機床狀況分析[1] 1.國際機床市場的消費主流是數控機床 1998年世界機床進口額中大部分是數控機床，美國進口機床的數控化率達70%，我國為60%。目前世界數控機床消費額趨勢已從初期以數控電加工機床、數控車床、數控銑床為主轉向以加工中心、專用數控機床、成套設備為主。 2.國外數控機床的網絡化 隨著計算機技術、網絡技術日益普遍運用，數控機床走向網絡化、集成化已為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網進入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度來看，目前流行的ERP即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門（人、財、物、產、供、銷）或設計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層加工設備——數控機床不能夠連成網絡或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數控化率，即數控機床必須達到起碼的數量或比例；第二就是所擁有的數控機床必須具有雙向、高速的聯(lián)網通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。 以FANUC和SIEMENS為代表的數控系統(tǒng)生產廠商已在幾年前推出了具有網絡功能的數控系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網，為數控機床聯(lián)網提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數控機床的網絡接口功能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷。 1.2.5 數控機床的發(fā)展預測[1] 1. 數控機床推廣應用逐步由經濟型為主普及型為主轉變 據預測分析，到2006年我國機床的數控化率為9.5%～10.36%，到2010年將達到16.5%～19.27%。經濟型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長，高級型的需求緩慢增長。 2. 數控金切機床的構成比逐漸趨于合理 數控機床工序集中的加工特點，將使具有復合功能的高效數控機床的需求增長，這將導致數控機床擁有量和市場消費量中各類數控機床的構成比不同于傳統(tǒng)的機床構成比。 3. 數控機床的應用由單機向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展 目前歐、美、日等國應用DNC已很普遍，柔性制造單元已占數控機床銷售量的30%以上。而我國FMC、FMS和FML的擁有量不足50套，相當于日本80年代的水平，占數控機床消費額不到5%。 4. 出口前景良好 1998年及前幾年我國機床工具的出口額徘徊在5億美元左右，2000年上升到7.85億美元，隨著東南亞經濟復蘇和我國出口多極化市場的形成和鞏固，以及我國加入WTO，今后幾年我國機床出口將實現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。預計到2006年出口創(chuàng)匯可達到12億美元。 1.3 本文的選題及主要研究內容 1.3.1 本文的選題 對C616型車床進行數控化改造 1.3.2 主要研究內容 1.機械部分改造 2.電氣部分改造 3.軟件設計（編程） 2 機械部分改造 2.1 設計方案的確定 利用數控裝置對縱橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，以步進電機為驅動元件，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉位刀架，對C616普通車床進行技術改造就可以組成一個經濟型數控車床，實現(xiàn)微機控制下的自動加工。改造后的車床把車床的主運動和進給運動分離開來。主電機的作用僅僅是帶動工件旋轉，而刀架的進給運動則是由步進電機直接帶動車床的縱橫絲杠來實現(xiàn)。其改造后結構原理示意圖如圖2-1所示。 圖2-1 C616型車床的數控化改造結構原理圖 操作時，根據零件的加工工藝，按數控系統(tǒng)的規(guī)定的方式編制零件的加工程序，通過數控裝置上的鍵盤輸入微機，微機對加工程序處理后發(fā)出一系列脈沖信號，經過功率放大器放大后驅動2臺步進電機，按規(guī)定的方向、速度和位移量，完成刀架縱橫兩個方向的進給，使車刀實現(xiàn)直線或圓弧的切削。在加工螺紋時，通過主軸脈沖發(fā)生器發(fā)生進給運動，從而加工出各種標準螺紋。換刀時，微機發(fā)出換刀信號，刀架控制箱繼電器動作，電機正轉，通過減速機構和升降機構，將上刀體上升至一定位置，帶動刀體旋轉到所選刀位，然后定位，完成換刀動作。[20] 2.2機械部分改造[4] 2.2.1縱向進給系統(tǒng)的計算與設計 1. 縱向進給系統(tǒng)的設計 經濟型數控車床的改造一般是步進電機經減速驅動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端。對車床改造來說，外觀不必像產品設計要求的那么高，而從改造方便，實用方面來考慮。一般都把步進電機放在縱向絲杠的右端，如圖2-2所示。 圖2-2 數控改造的總體方案示意圖 2. 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 工作臺重量： W=750N 時間常數： T=28ms 滾珠絲杠基本導程： =8mm 行程： S =700mm 脈沖當量: δp=0.02mm/step 步距角： =0.75o/step 快速進給速度： =2.5m/min (1) 切削力計算 由《機床設計手冊》可知，切削功率 （2-1） 式中 N——電機功率，查機床說明書，N=4kW； ——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.6～0.7取 K——進給系統(tǒng)功率系數，取為K=0.96。 則： =4×0.65×0.96=2.496 kW 又因為 （2-2） 所以 式中 v——切削線速度，取v=100m/min。 主切削力 =6120×2.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N） 由《金屬切削原理》可知，主切削力 （2-3） 查表得： =188kgf/㎡=1880MPa =1 =0.75 =1 則可計算如表2-1所示： 表2-1 計算結果 2 2 2 3 3 3 f（mm） 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 1125 1524 1891 1687 2287 2837 當=1520N時，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，以此參數作為下面計算的依據。 從《機床設計手冊》中可得知，在一般外圓車削時： =（0.1～0.6） =（0.15～0.7） （2-4） 取： =0.5Fz=0.5×1527.6=763.8N =0.6Fz=0.6×1527.6=916.5N (2) 滾珠絲杠設計計算 A.滾珠絲杠副傳動的特點： 1)傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動的效率為=0.92～0.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高3～4倍（滑動絲杠效率為0.2～0.4）。因此，功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的1/4～1/3。 2)給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。 3) 啟動力矩小，運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好。 4) 有可逆性，可以從旋轉運動換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為主傳動。 5)磨損小，使用壽命長，精度保持好。 6) 不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于重力的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需添加制動裝置。 B.滾珠絲杠副的精度與代號 根據機械工業(yè)部標準《滾珠絲杠副精度》的規(guī)定，滾珠絲杠副按其使用范圍及要求分為六個等級，即C,D,E,F,G,H級，C級精度最高，其余一次逐級降低 各種類型數控機床對滾珠絲杠副精度的要求如表2-2 表2-2 滾珠絲杠 副精度要求表 機 床 種 類 坐 標 方 向 X Y Z W 開 環(huán) 系 統(tǒng) 數控壓力機 標準級 標準級 數控繪圖機 標準級 標準級 數控車床 標準級 精密級 標準級 數控磨機 精密級 精密級 數控線切割機 精密級 精密級 數控鉆床 標準級 普通級 標準級 數控銑床 標準級 標準級 標準級 數控鏜床 精密級 精密級 精密級 標準級 數控坐標鏜床 精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 自動換刀數控機床 精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 超精密級 標準級 坐標鏜床、螺紋磨床 精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 普通機床、通用機床 普通級 普通級 普通級 滾珠絲杠副的精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導程誤差，絲杠大徑對螺紋軸線的徑向圓跳動，絲杠和螺母表面粗糙度，由預加載荷時螺母安裝端面對絲杠螺紋軸線的圓跳動，有預加載荷時螺母安裝端面對絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動以及滾珠絲杠公稱直徑尺寸變動量等。 在開環(huán)數控機床和其他精度機床中，滾珠絲杠的精度直接影響定位精度和隨動精度。對于閉環(huán)系統(tǒng)的數控機床，絲杠的制造誤差使得它在工作時負載分布不均勻，從而降低承載能力和接觸剛度，并使預緊力和驅動力矩不穩(wěn)定，因此傳動精度始終是滾珠絲杠的最重要的質量指標。 C.綜合導軌車床絲杠的軸向力： （2-5） 式中 K=1.15， =0.15～0.18，取為0.16。 則 P=1.15×763.8+0.16（1527.6+800） =1250.8N 1) 強度計算： 壽命值 （2-6） （2-7） 取工件直徑 D=80mm，查表得 =15000h 則： =1000×100×0.3/3.14×80×6=20r/min =60×20×15000/=18 最大動負載 Q= （2-8） 查表得： 運轉系數 =1.2 硬度系數 =1 則 Q=×1.2×1×1250.8=3933.6N 根據最大動負載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠的產品樣本選取FB系列，滾珠絲杠直徑選為Φ32mm，型號為FB32×6-5-，其額定動載荷是10689N，所以強度足夠用。 2) 效率計算： 根據《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為： （2-9） 式中 摩擦角=10ˊ 螺旋升角=3o25ˊ 則 =0.953 3) 剛度驗算： 滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量 （2-10） 式中 =6mm=0.6cm； E=20.6× 滾珠絲杠截面積 則 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略，即：。所以： 導程變形總誤差Δ為 查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15μm/m，故剛度足夠。 4）穩(wěn)定性驗算： 由于機床原絲杠直徑為φ32mm，支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題，不在驗算。 (3) 齒輪及轉矩的有關計算 1) 有關齒輪計算 傳動比 故取 =32 =40 m=2mm b=20mm =20o 2) 轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量： 絲杠的轉動慣量： 齒輪的轉動慣量： 電機轉動慣量很小可忽略。 因此，總的轉動慣量： = 3) 所需轉動力矩計算： 快速空載啟動時所需力矩 ++ 最大切削負載時所需力矩 +++ 快速進給時所需力矩 + 式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速力矩； ——折算到電機軸上的摩擦力矩； ——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； ——切削時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的切削負載力矩。 （2-11） 當時 當時 =12.408×24.88×/9.6×0.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cm 當=0.8 =0.16時 =1.223=12.23 當=0.9時預加載荷Po=1/3則： = =76.3×0.6/2×3.14×0.8×1.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm 所以，快速空載啟動所需力矩 =21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm 切削時所需力矩： =1.286+1.223+0.462+7.297 =10.268kgf.cm=102.68N.cm 快速進給時所需力矩 =1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm 由以上分析計算可知： 所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時， 2.2.2 橫向進給系統(tǒng)的計算與設計 1. 橫向進給系統(tǒng)的設計 經濟型數控改造的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是步進電機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高轉動精度，如圖2-2所示。 2. 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似，所用到的公式不在詳細說明，只計算結果。 已知條件： 工作臺重量： W=30kgf=300N 時間常數： T=25ms 滾珠絲杠基本導程： =4mm左旋 行程： S =190mm 脈沖當量: δp=0.005mm/step 步距角： =0.75o/step 快速進給速度： =1m/min (1) 切削力計算 橫向進給量為縱向的1/2～1/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2。 =1/2×152.76=76.38kgf=763.8N 在切斷工件時： （2）滾珠絲杠設計計算 1)強度計算： 對于燕尾型導軌： （2-12） 取K=1.4 =0.2 則 P=1.4×38.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N 壽命值 最大動負載 Q=根據最大動負荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠的產品樣本選取系列，滾珠絲杠公稱直徑為φ20mm，型號為20×4-5-E2左，其額定動負荷為5393N，所以強度足夠用。 2) 效率計算： 螺旋升角=3o38ˊ，摩擦角=10ˊ 則傳動效率由公式（2-9）得 3) 剛度驗算：由公式（2-10）得滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量 =74.74×10×0.4×4/3.14×20.6××=5.96×cm 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略，即：所以，導程變形總誤差為 Δ=100ΔL/Lo=100×5.96×/0.4=14.9μm/m 查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15μm/m，故剛度足夠。 4) 穩(wěn)定性驗算： 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算。 (3) 齒輪及轉矩有關計算 1)有關齒輪計算 傳動比 故取 α=20o 2)轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 絲杠的轉動慣量 齒輪的轉動慣量 電機轉動慣量很小可忽略，因此，總的慣量 3) 所需轉動力矩計算 所以，快速空載啟動所需轉矩 =2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm 切削時所需力矩： =0.1774+0.287+0.116+1.824 =2.40kgf.cm=24.04N.cm 快速進給時所需轉矩： =0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm 以上計算可知：最大轉矩發(fā)生在快速啟動時 3 電氣部分改造 3.1步進電機選用的基本原則[4] 合理選用步進電機是比較復雜的問題，需要根據電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下： 1.步矩角α 步矩角應滿足： 式中 ——傳動比； ——系統(tǒng)對步進電機所驅動部件的最小轉角。 2.精度 步進電機的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉子從任意位置開始，經過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用。所選用的步進電機應滿足 式中 ——步進電機的積累誤差； ——系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差。 3.轉矩 為了使步進電機正常運行（不失步、不越步），正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮： 1）啟動力矩 一般啟動力矩選取為： 式中 ——電動機啟動力矩； ——電動機靜負載力矩。 根據步進電機的相數和拍數，啟動力矩選取如表1-2所示。為步進電機的最大靜轉矩，是步進電機技術數據中給出的。 在要求的運行頻率范圍內，電動機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動機轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。 4.啟動頻率 由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足： ——極限啟動頻率 ——要求步進電機最高啟動頻率。 3.2步進電機的選擇[4] 3.2.1 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 為滿足最小步矩要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步進電機最大靜轉矩為： 步進電機最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用要求。 3.2.2 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 仍選用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步進電機最大靜轉矩為： 步進電機最高工作頻率 為了便于設計和采購，仍選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用要求。 3.3 數控系統(tǒng)的硬件電路設計 3.3.1 數控系統(tǒng)基本硬件組成 [4] 任何一個數控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。機床數控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。 1.中央處理單元CPU。 2.總線。包括數據總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。 3.存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機讀寫存貯器。 4.I/O輸入/輸出接口電路。 其中CPU是數控系統(tǒng)的核心，作用是進行數據運算處理和控制各部分電路協(xié)調工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數據。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存貯器、接口以及其它轉換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。數控系統(tǒng)硬件框圖如圖3-1所示。 存儲器RAM ROM CPU I/O 接口 信號 變換 控制 對象 外設 圖3-1 數控系統(tǒng)硬件框圖 由于Z80CPU以及MCS-51系列單片機在我國機床數控改造方面應用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能夠滿足經濟型數控車床改造的需要。C616數控改造以Z80CPU組成的單板機作為數控控制系統(tǒng)。也可直接購買國內較好的數控系統(tǒng)系列產品做作為數控裝置，如南京大方數控設備公司生產的JWK系列數控產品。 3.3.2 單片機控制系統(tǒng)的設計[11] 考慮到通用性及普遍性，選擇MCS-51系列中的8031芯片。如圖所示為用8031單片機控制的數控系統(tǒng)設計的框圖。該系統(tǒng)主要由中央處理器8031單片機、一片只讀存貯器2764（8K×8），一片靜態(tài)存貯器6264（8K×8）、一片可編程接口芯片8155、一片可編程鍵盤/顯示器接口芯片8279、一片地址鎖存器74LS373和兩片譯碼器74LS138等組成。 1. 單片機的選擇 8031屬8位單片機，它是集CPU、I/O端口及部分RAM等為一體的控制器，具有價格低、功能全、體積小、編程靈活性大、開發(fā)手段齊全、硬件資源豐富等特點。在國內的經濟型數控系統(tǒng)中多數使用8031單片機。 8031芯便內部具有128個字節(jié)的數據存貯器RAM，內部地址為00H～7FH，CPU對片內數據存貯器有很豐富的操作指令，通過直接尋址或間接尋址方式進行訪問。這128個字節(jié)單元可作為數據緩沖器、堆棧和工作寄存器。但應用片內的RAM往往不夠，故外接6264芯便來擴展8031的RAM存貯器。8031是一個無ROM/EPROM的單片機，必須擴展程序存貯器，存放控制程序，所以外接了一片2764芯片。8031本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線不夠，只有口和部分口線用來與外部設備連接，但若處設較多時，不能滿足需要，所以在該應用系統(tǒng)中還要在8031外接一片8155芯片以擴展I/O口。 8031為40引腳的雙列直插式器件，有4個雙向8位I/O口?？诤妥鳛榈刂房偩€使用。16位地址總線由口經地址鎖存器74LS373提供低8位（）。高8位（）由口直接提供。8位數據總線由口提供。這樣數據總線與地址總線共用，SLE為地址鎖存允許，當送低8位地址時，使ALE有效并鎖存到74LS373，當送數據時使ALE無效。 圖3-2 8031控制的數控系統(tǒng)設計原理圖 2. 存儲器芯片的選擇 在選擇存儲器時，要考慮到CPU與存儲器的時序匹配，若不匹配，進行讀寫操作的數據就不可靠。為解決時間匹配問題，應盡量選用高速存儲器芯片。另外，還要考慮最大的讀取速度、工作溫度及存儲容量。 2764芯片是一種高速、容量為8KB×8的EPROM存儲器電路，讀取時間為250ns，而8031選用晶振頻率為6MHz，則讀取時間為480ns，都滿足要求。2764為28腳器件，其中，為13位地址線，為8位數據線。CE為片選信號，低電平有效。 6264芯片是8KB×8的RAM存儲器，集成度很高，讀芯片讀取時間為200ns，也為28腳器件，其中為13位地址線，為8位數據線。 由于2764和6264芯片都是8KB×8，需要13根地址線。低8位接任何硬件邏輯，是單片機應用系統(tǒng)中廣泛使用的一種芯片，其中A口作為控制縱橫向步進電機接口，B口控制主軸正反轉、進給速度調整，C口控制回轉刀架等。 8279芯片是一種可編程的鍵盤、顯示接口器件，單個芯片就能完成鍵盤掃描輸入和LED顯示控制兩種功能，能對顯示器自動掃描，能識別鍵盤上按下鍵的鍵號，這樣可充分提高CPU的工作效率，大大減少軟件工作量。 3.4光電隔離電路[4] 在步進電機驅動電路中，脈沖信號經功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機程序的正常工作，重則導致計算機和接口電路損壞，所以一般在接口電路與功率驅動器之間都要接上隔離電路，光 電耦合電路如圖3-3所示： 圖3-3 光電耦合電路 3.5 功率放大電路[4] 功率放大電路分為單電源和雙電源型.單電源型線路簡單,但效率不高,所以選用雙電源型.雙電源型采用高低壓供電電路,如圖3-4所示 圖3-4 功率放大電路 在功率放大器導通初始,V1,V3,V4全導通,并使脈沖變壓器B的副邊產生一定寬的脈沖電流,使V2導通,高壓電源通過V2, V1為步進電機某一相繞組供電,使其電上升沿變陡,同時VD處于反向偏置,將低壓Ea與繞組L4切斷。經過時間后脈沖電流消失,使V2截止,高壓電源與繞組之間被切斷 。通過VD, V1為繞組L4供電,提供所需的額定電流。通過調整脈沖變壓器的磁芯和R4可改變高壓供電的時間寬度。以上只是從原理上分析說明,由于我國目前步進電機的功率放大器已由生產廠家出系列化產品,在設計數控機床控制電路時只需根據步進電機的容量大小進行選擇,所以不再進行計算。 4 總結 數控機床是自動化加工必不可少的組成部分,根據我國的國情對舊機床進行數控化改造不失為一條經濟有效的途徑。我國擁有機床300萬臺,其中大部分為通用機床,特別是地方中小型企業(yè),普通設備擁有量巨大,數控改造的前景相當大。在對C616車床的數控化改造設計中,用單片機作為中央微處理器較好。改造后大大提高原有機床的自動化程度和生產率,其成本僅為全功能數控機床的1/3~1/4。 改造C616車床充分考慮到其實用性，操作方便，技術參數設置合理，極大地提高了加工效率。另外，該技術也可以用于其它車床，只需要根據相應機床的切削功率的大小，改變相應的驅動系統(tǒng)，就可以用于其它不同型號的普通車床，所以具有很好的推廣前景。 本次畢業(yè)論文，在指導教師的精心指導下，掌握了設備數控化改造的主要技術關鍵環(huán)節(jié)，對數控設備、數控技術有了更進一步的了解和掌握，了解了數控設備、數控技術的發(fā)展趨勢，指明了以后的發(fā)展方向，必將為以后的學習和工作起到了很大的作用。 參考文獻： [1] 王道宏.數控編程技術[M].北京:人民郵電出版社,2005. 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C616普通車床的數控化改造[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2000,4 (6)：14-15 附 錄 5 軟件編程 一 、如圖4-1所示編寫零件加工程序。 圖4-1 （1） 絕對編程 N01 G00 F2500 ； 快速定位 N02 G92 X48 Z60 ； 建立工件坐標系 N03 G00 X18 ；A B 直徑變成2X=18 N04 G01 Z35 F300 ；B C N05 G01 X120 Z15 ；C D N06 G26 M02 ；D A, 返回參考點，程序結束 （2）增量編程 N01 G00 F2500 N02 G92 X48 Z560 N03 G00 U-30 ；A B N04 G01 W-25 F300 ；B C N05 G01 U2 W-20 F150 ；C D N06 G26 M02 ；D A返回參考點，程序結束 二、如圖4-2所示編寫零件加工程序。 圖4-2 加工路線 A B C D E F 計算每次的坐標值 A(80,15) D(25,-28) B(20, 2) E(25,-36) C(20,-10) F(32,-36) (1)絕對值編程 N10 G90 ；絕對值方式 N20 G92 X80 Z15 ；刀具起點A N30 M03 S800 T1 ；主軸正轉800r/min N40 G00 X20 Z2 F1000 ；A B N50 G01 Z-10 F200 ；B C在外圓 N60 G01 X25 Z-28 F50 ；在錐面C D N070 G01 Z-36 F100 ；在外圓D F N80 G01 X32 ；在平面E F N90 G00 X80 Z15 ；刀具快速返回換刀點 N100 M05 ；主軸停止 N110 M02 ；程序結束 (2)增量編程 N10 G91 ；增量方